Exploring Acute Low Back Pain: Connections Between Neuroscience, Biomechanics, and Psychology

• Type: Thesis
• Date: 2025-07-15

Authors

Franciele Carvalho Santos Parolini (Author) FADEUP

Thesis

Exploring Acute Low Back Pain: Connections Between Neuroscience, Biomechanics, and Psychology

Doctorate

Thesis

Scientific classification

FOS: Medical and Health sciences > Health sciences

Other information

Resumo (PT): Esta tese explora a dor lombar através de uma abordagem multidimensional, considerando fatores físicos, psicológicos e sociais, e utiliza redes neurais artificiais para investigar as interações não-lineares entre variáveis físicas e psicológicas. O estudo destaca a importância da atividade física como um fator-chave na modulação da dor lombar, demonstrando que a prática regular de exercício melhora a saúde mental e a funcionalidade espinal. A intensidade da atividade física, no entanto, desempenha um papel crucial: enquanto exercícios de baixa intensidade ajudam a reduzir o estresse e a ansiedade, atividades de alta intensidade podem aliviar a dor, mas também aumentar a perceção da dor, especialmente em indivíduos com condições crônicas. Além disso, a interação entre a atividade física e os fatores psicológicos afeta diretamente a capacidade funcional. Fraqueza muscular e instabilidade do tronco são componentes centrais da dor lombar, impactando a motivação e a capacidade de realizar exercícios. A pesquisa validou um dinamômetro instrumentado para quantificar com precisão a força de extensão do tronco e a estabilidade da força, com excelente comparabilidade com dispositivos de referência comerciais, e utilizou essa ferramenta juntamente com a eletromiografia para analisar as respostas neuromusculares à dor lombar aguda induzida experimentalmente. Os resultados mostraram uma reorganização neuromuscular dinâmica e lateralizada, com ajustes na ativação muscular tanto ipsilateral quanto contralateral ao local da dor, sugerindo estratégias compensatórias do sistema nervoso central para manter a estabilidade da força. Essas respostas neuromusculares foram acompanhadas por alterações na complexidade do sinal eletromiográfico, refletindo adaptações neurofisiológicas para otimizar o controle motor em resposta ao estresse nociceptivo. No entanto, essas adaptações não foram suficientes para sustentar a estabilidade da força a longo prazo, evidenciando a perturbação do controle motor causada pela dor. A redução da coerência corticomuscular nas bandas beta e gama no córtex motor ipsilateral à dor revelou a interferência direta da dor na comunicação entre o córtex motor e os músculos lombares, comprometendo a sincronização entre os comandos corticais e a geração de força. Esses achados sugerem que intervenções direcionadas tanto ao controle neural quanto às dimensões biomecânicas da dor lombar são essenciais para melhorar o controle motor e a recuperação funcional, abordando a complexa interação entre dor, controle neural e estabilidade da força. Palavras-chave: dor lombar aguda, eletromiografia, eletroencefalógrafia, doenças mentais.

Abstract (EN): This thesis explores low back pain through a multidimensional approach, considering physical, psychological, and social factors, and employs artificial neural network to investigate non-linear interactions between physical and psychological variables. The study highlights the importance of physical activity as a key factor in modulating low back pain, demonstrating that regular exercise improves mental health and spinal functionality. However, exercise intensity plays a crucial role: while low-intensity exercise helps reduce stress and anxiety, high-intensity activities may alleviate pain but also increase pain perception, particularly in individuals with chronic conditions. Additionally, the interaction between physical activity and psychological factors directly impacts functional capacity. Muscle weakness and trunk instability are central components of low back pain, affecting motivation and the ability to exercise. The research validated an instrumented dynamometer to precisely quantify trunk extension force and force steadiness, with excellent comparability to commercial reference devices. It also used this tool alongside electromyography to analyze neuromuscular responses to experimentally induced acute low back pain. The results revealed a dynamic and lateralized neuromuscular reorganization, with activation adjustments in muscles both ipsilateral and contralateral to the pain site, suggesting compensatory strategies by the central nervous system to maintain force steadiness. These neuromuscular responses were accompanied by changes in electromyographic signal complexity, reflecting neurophysiological adaptations aimed at optimizing motor control in response to nociceptive stress. However, these adaptations were insufficient to sustain long-term force steadiness, highlighting the disruption of motor control caused by pain. Reduced corticomuscular coherence in the beta and gamma bands in the motor cortex ipsilateral to pain induction revealed pain's direct interference in motor cortex-lumbar muscle communication, impairing synchronization between cortical commands and force generation. These findings suggest that targeted interventions addressing both neural control and biomechanical dimensions of low back pain are essential for improving motor control and functional recovery, addressing the complex interplay between pain, neural control, and force steadiness.

Language: English